[发明专利]一种碳纳米管增强型超硬薄膜的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强型超硬薄膜的制造方法，特别涉及一种将碳纳米管加入TiN薄膜，以提高其硬度和韧性的制造方法。

背景技术

超硬薄膜材料由于其优异的性质和广泛的应用潜力，得到了人们越来越多的关注。目前，在超硬薄膜的开发上可分为本征超硬和结构超硬两种，本征超硬的材料包括：金刚石、立方氮化硼、TiN，其自身的晶体结构属性决定了他们超硬的本质，但是本征超硬薄膜要求单晶结构，对制备工艺条件有较高的要求。结构超硬主要是一类具有纳米复合结构的超硬薄膜，可以分为两类：一类是nc-Me/超硬相纳米复合材料，如：a-Si₃N₄和a-TiB₂等。另一类是nc-MeN/软相(如：Cu)，这类材料由于其灵活多变的性能，成为目前开发的热点。随着加工技术的进步，对刀具的要求不断提高，通过将高质量的超硬薄膜制备在各种刀具上以提高其使用性成为广泛采用的方法。

碳纳米管由于其高强度，低密度，大长细比，高导电性以及碳的化学性质，一经发现就受到了异乎寻常的关注，其独特的性质使得碳纳米管无论作为功能材料还是结构材料都有着极为广泛的应用潜力。利用纤维增强理论，在硬质合金中加入碳纳米管的研究取得了很好的效果，大大提高了硬质合金复合材料的强度、韧性以及硬度。据我们所知将这一材料加入到硬质薄膜中，提高薄膜性能的研究尚且没有。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纳米管增强型超硬薄膜的制造方法。本发明通过与基体表面平行分布的碳纳米管材料提高TiN薄膜的韧性以及硬度，提高超硬薄膜的耐磨使用性。

本发明包括以下步骤：

1)、在被镀材料表面预处理：

顺序采用先物理抛光、后化学清洗的方法，对被镀材料表面进行彻底的清理，为镀膜工艺做好准备。

2)、在被镀材料表面沉积过渡层：

根据被镀材料以及超硬薄膜的晶体结构，采用物理气相沉积的方法，在被镀材料表面沉积金属过渡层。目的是减少薄膜与基体材料的晶格常数差，提高膜基结合力。

3)、交替沉积碳纳米管和氮化钛(TiN)薄膜：

在过渡层表面通过物理气相沉积的方法沉积一层氮化钛(TiN)薄膜，控制薄膜厚度在90-110nm。关闭物理气相沉积激发源，通过化学气相沉积的方法激发含碳气源，沉积碳纳米管，控制沉积时间，碳纳米管对基体的覆盖率在25％-40％。关闭化学气相沉积激发源，打开物理气相沉积激发源，沉积氮化钛(TiN)薄膜；交替往复，根据使用要求制备碳纳米管增强型氮化钛(TiN)超硬薄膜。

所述的被镀材料为高速钢或硬质合金。

所述的物理气相沉积的方法为多弧离子镀或空心阴极离子镀。

所述的化学气相沉积(CVD)的方法为电子回旋共振或微波等。

本发明的有益效果是：

本发明在氮化钛(TiN)超硬薄膜中间，用化学气相沉积(CVD)的方法沉积碳纳米管材料，利用碳纳米管的高强度、高韧性的特点，提高TiN硬质薄膜的硬度和韧性，防止氮化钛(TiN)薄膜在使用过程中由于脆性大造成的成片剥落现象，提高薄膜的耐磨使用性能。

具体实施方式

本发明包括以下步骤

1)、在被镀材料表面预处理：

使用砂纸和抛光布对被镀材料表面进行物理清洗，之后顺序使用丙酮、酒精超声清洗10分钟，氮气吹干后迅速放入真空设备中，防止表面重新生成氧化膜。

2)、在被镀材料表面沉积过渡层：

空心阴极激发等离子体放电，在较高负偏压的作用下，用Ar的阳离子轰击被镀材料表面，清除表面残余的杂质。之后根据被镀材料以及超硬薄膜的晶体结构，采用物理气相沉积的方法，在被镀材料表面沉积金属过渡层。减少薄膜与基体材料的晶格常数差，提高膜基结合力。

3)、交替沉积碳纳米管和氮化钛(TiN)薄膜：

在过渡层表面通过物理气相沉积的方法沉积一层氮化钛(TiN)薄膜，控制沉积参数：沉积气压、气体流量、基体负偏压、沉积时间等、控制氮化钛(TiN)薄膜的晶体结构，保证薄膜厚度在90-100nm。关闭物理气相沉积激发源，在催化剂(Fe或Mo)的作用下通过化学气相沉积(CVD)的方法激发含碳气源，根据气源的种类调整沉积参数，制备碳纳米管，控制碳纳米管对基体的覆盖率在25％-40％。关闭化学气相沉积激发源，打开物理气相沉积激发源，沉积氮化钛(TiN)薄膜。交替往复，根据使用要求制备碳纳米管增强型氮化钛(TiN)超硬薄膜。

步骤1)和步骤2)所述的被镀材料为高速钢或硬质合金。